Control 版 (精华区)

发信人: Rorena (风铃语), 信区: Control
标  题: GPS用于监测高层建筑物动态特征的模拟研究 
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年04月04日08:20:41 星期三), 转信

摘　要　设计了若干个振动实验以模拟高层建筑物在外力作用下的动 态特征，并采用动
态GPS技术对此进行监测。实验数据的谱分析结果表明，利用GPS观测数据 至少可以精确
地鉴别出高层建筑物的低频动态特征，如相对位移和频率。该技术对于大型构 筑物的安
全监测将具有重要的实用价值。
关键词　动态GPS技术；动态特征；高层建筑物；谱分析
分类号　P228.42
Application of GPS in the Simulation Study of DynamicCharacteristics of Tall
 Buildings
LUO Zhicai
(School of Geo_science and Surveying Engineering,WTUSM,129 Luoyu Road,W uhan
,China,430079)
CHEN Yongqi
(Department of Land Surveying and Geo-Informatics,The Hong Kong Polytechni c
 University,Hung Hom,Kowloon,Hong Kong)
LIU Yanxiong
(GPS Research Center,WTUSM,12 9 Luoyu Road,Wuhan,China,430079)
Abstract：Dynamic characteristics including relative displacements and vibra
ting frquenci es,which are key to assessing drift and stress conditions of l
arge stru ctures such as tall buildings,longspan suspension and cable_stayed
 bridges and tall chimn eys,are difficult to measure directly,especially und
er the condition of earthqua kes and strong winds or typhoons.In general,las
er collimator, total station and accelerometers are the most common instrume
nts used to monito r the response of structural systems,but can not work pro
perly during earthquak es and strong winds or typhoons,and in most cases do
not take place in real_tim e or near real_time yet.Until recently,there are
no efficient or feasible meth ods to measure displacements during an earthqu
ake or severe wind.Therefore ther e is a great need for developing new metho
d or technology to monitor the dynamic characteristics of large structures p
recisely in real_time or near r eal_time during very bad conditions.
　　Fortunately,recent advances in Global Positioning System (GPS) technolog
y allow reliable monitoring of above_mentioned long_period structures.GPS un
its with a capability of resolving motion at the centimeter or sub_centimete
r level with s ampling frequency 10Hz or even 20Hz are now available from se
veral manufacturers .This provides a great opportunity to monitor long_perio
d structures reliably. To the authors' best knowledge,the capability of iden
tifying vibration characte ristics from GPS observations has not been widely
 verified.For the scientific j ustification and feasibility of using kinemat
ic GPS technology to identify the d ynamic characteristics of tall buildings
,some vibrating experiments are designe d to simulate the movements of tall
buildings in the paper,especially under the condition of earthquakes and str
ong winds or typhoons.The experimental equipme nt consists of:①NovAtel_Outr
ider_DL_RT2 dual frequency GPS receivers with sa mpling frequency of 10Hz; ②
vibrating unit,which is composed of power amp lifier,signal generator,signal
 analyzer,regulator,exciter,displacement sens or,mass block and rigid beam o
r elastic beam,and which can supply simple harmo nic vibration environment o
r damped simple harmonic vibration environment,and c orresponding precise ba
sis of vibrating frequency and amplitude.The intrinsic f requency supplied b
y vibrating unit is jointly determined by the mass of GPS ant enna,the mater
ial and geometrical dimensions (length,width and height) of rigi d or elasti
c beam.The paper also discusses in detail how GPS data are recorded,p r oces
sed and analyzed.With post_process version of NovAtel's Softsurv software an
 d auto_regressive (AR) spectral analysis method,relative displacements and
corr esponding vibrating frequencies can be derived from GPS observations.Th
e result s indicate that clear and accurate dynamic characteristics such as
relative disp lacements and at least low frequencies can be identified by ki
nematic GPS techno logy.Moreover,with future advances in GPS technology and
improvements in sampl ing capability,it will be possible to monitor short_pe
riod structures as well. This capability can be very useful to be used for t
he health monitoring purposes of large structures such as tall buildings and
 long_span or cable_stayed bridge s.Considering the practical purposes,some
suggestion is also given in the pa per.Requisite procedures and software sho
uld be developed to permanently deploy GPS units on tall buildings,and to as
sess and mitigate the natural hazards such a s typhoon,flood and earthquake
affecting the structures,and methodologies on ho w the findings can be incor
porated into useful practical design procedures.
Key words：kinematic GPS technology；dynamic characteristic；tall bu ildings
；spectral analysis
　　大型构筑物(如高层建筑物、大坝和桥梁等)动态特征的监测对其安全运营、维护及
设计至关重要，尤其要实时或准实时监测大型构筑物受地震、台风和洪水等外界因素作
用下的动态特征，如高层建筑物摆动的幅度(相对位移)和频率。高层建筑物的变形监测
一般用加速度传感器、全站仪和激光准直等传统观测方法观测，而大坝外观变形监测主
要采用正倒锤线、弦矢导线、边角网和精密水准等常规方法。所有这些传统观测技术因
受其能力所限，在连续性、实时性和自动化程度等方面已不能满足大型构筑物动态监测
的要求。近年来，随着GPS硬 件和软件技术的发展，特别是高采样频率(如10Hz甚至20H
z)GPS接收机的出现以及GPS数 据处理方法的改进和完善等，为GPS技术应用于实时或准
实时监测大型构筑物的动态特征提 供了可能。GPS定位技术已成功地应用于建立了隔河
岩大坝外观变形自动化监测系统 ，监测点水平分量和垂直分量的精度分别为1.0mm和1.
5mm(1～2h解)［1］。GPS 技术 还分别应用于实时监测桥梁和深圳帝王大厦的动态特征
［2，3］，初步展示了GPS技 术在监测大型构筑物动态特征方面的应用前景。目前，GP
S定位技术在这一领域的应用研究 已成为热点之一。
　　本文以高层建筑物动态特征的监测为例，首先设计了若干个振动实验以模拟高层建
筑物 受地震和台风等外界因素作用下的动态特征，采用动态GPS技术对此进行监测。然
后对GPS观 测数据进行处理与分析，并与设计参数作比较，旨在全面科学地评价采用动
态GPS技术监测 高层建筑物动态特征的能力及可行性。
1　高层建筑物动态特征的模拟与监测
1.1　实验设备
　　该实验所采用的设备包括：①两台NovAtel_Outrider_DL_RT2双频GPS接收机，其中
 一台作为固定站，另一台为流动站，其最高采样频率为10Hz；②振动设备 如图1所示，
其中图1(a)用于振动频率为1Hz以上的振动实验，图1(b)用于振动频 率为1Hz以下的振动
实验。此设备用于提供振幅约100mm和频率为0.2Hz～5Hz的简谐振动环境 ，并为评价GP
S观测结果提供精确的频率基准和位移基准。
图1　GPS振动实验装置
Fig.1　Vibrating Unit for GPS Test with Frequency
1.2　动态特征的模拟
　　一般来说，在外力(如台风、地震和车载等)作用下，高层建筑物的摆动和大型桥梁
的振动具有简谐性质，并且随着外力的变化其摆动（或振动）的幅度和频率也在变化，
因此，动态特 征的模拟主要考虑以下两种情况。
　　1)高层建筑物的摆动或大型桥梁的振动满足简谐运动方程，但摆动(或振动)过程中
其振幅 和频率有突变。简谐运动方程为：
y=Asin(2πft+φ0)　　(1)
式中，A为振幅；f为频率；y为位移量；φ0为初相位；t为时间。
　　2)高层建筑物的摆动或大型桥梁的振动频率保持不变，而振幅成指数衰减。运动方
 程为：
y=Ae-α(t-τ)sin(2πf(t-τ))　　　(2)
式中，α为衰减系数；τ为初始时刻；其他各量的含义同式(1)。
　　为了比较全面地评价动态GPS技术监测高层建筑物动态特征的能力，在水平方向和垂
直方向 上分别设计了一系列振动实验，表1仅给出了其中有代表性的4组振动实验的设计
参数。
1.3　动态特征的监测
　　如图1所示，GPS流动站的天线固定在刚性金属梁的一端，或者固定在弹性金属梁中
间的适当位置，而GPS固定站与之相距10m左右，并采用动态GPS相对定位技术对上述模
拟的动态特征进行监测。在整个GPS数据采集过程中，每个振动状态采集数据的时间约为
十 几min，采样频率为10Hz，设置卫星最低高度角为10°，最少卫星数为5。此外，为了
尽可能减小外界环境(如风和障碍物等)对振动设备和GPS测量的干扰，实验场地选择在南
京航空航天大学某6层教学楼的楼顶开阔平台上。受振动设备工作条件的限制，整个实验
只能在晴天或阴天进行。
表1　各振动状态的谱分析结果
Tab.1　Spectral Analysis Results of Various Vibrating Status
振动状态 振　　幅 频　　率
已知值/mm 估计值/mm 相对误差/% 已知值/Hz 估计值/Hz 相对误差
水平振动 状态一 80.0 78.5 1.9 0.20 0.199 9 5.0×10-4
49.0 47.9 2.2 0.20 0.199 9 5.0×10-4
状态二 100.0 97.4 2.6 1.062 1.062 9 8.5×10-4
垂直振动 状态一 49.8 48.8 2.0 0.40 0.399 7 7.5×10-4
79.3 77.4 2.4 0.40 0.399 7 7.5×10-4
状态二 80.0 77.5 3.1 1.287 1.278 5 6.6×10-3
2　数据处理与分析
2.1　数据处理方法
　　实验数据的处理包括：①GPS基线解算，采用NovAtel公司提供的数据后处理软件So
ftsurv1. 5对GPS原始观测数据进行分析和处理，解算出流动站每个历元相对于固定站的
坐标变化(简称GPS相对位移)，即得到GPS流动站相对坐标变化的时间序列数据。为清楚
起见，图2(左边部分)给出了某一小段时间相对位移的变化过程曲线。②对上述相对位移
的时间序列数据作谱分析，估计GPS观测结果中所隐含的周期信号的特征，并将估计结果
与振动设备所提供的标准结果进行比较，以便评价采用动态GPS技术监测高层建筑物动态
特征的能力及可行性。
　　本文应用自回归模型作谱分析，以下简称AR谱分析。设xn为相对位移的时间序列数
据 ，则AR模型定义为：xn=aixn-i+ei，其中，ai为AR模型的系数，可由xn根据Yule-Wa
lker 方程导出；p为AR模型的阶数，由FPE和AIC准则确定［4］；ei代表白噪声 。
　　AR谱分析一般可通过Burg算法和Marple算法来实现。研究表明，Marple算法比B ur
g算法能得到更加精确的频率估计［5］，因此本文采用Marple算法。图2(右边部分)为分
析各振动状态所得到的频谱特性曲线图。
图2　各振动状态由GPS观测得到的相对位移随时间的变化曲线及其频谱曲线
Fig.2　Relative Displacements from GPS and Corresponding Normalize d Auto_re
gressive Spectra for Various Vibrating Status
2.2　结果分析
　　图2(a)、2(e)分别表示水平振动和垂直振动过程中振幅和频率有突变时相对位移的
变化 过程曲线；图2(c)、2(g)分别表示水平振动和垂直振动过程中频率保持不变而振幅
成指 数衰减时相对位移的变化过程曲线。这些图清楚地反映了振动过程中振幅和频率的
变化情况 ，直观上表明，动态GPS技术能监测到这种动态变化特征。需要说明的是，因
数据采集过程 中风的影响较大，而振动设备是一个开环系统，不能补偿外界的影响，并
且振动设备本 身还存在误差，因此，实验过程中振动设备提供的振幅实际上是不够稳定
的，表1给出的是平均值。图2(a)、2(e)的结果与这一实际情况很吻合，直观上也说明了
动态GPS技术能监测到这种微小变化。
　　表1列出了各振动状态的谱分析结果和统计比较结果，表中已知值代表振动设备提供
的结果 ；估计值是由GPS观测结果分析得到的。从表1可以看出，利用GPS观测结果均可
以较准确地提取各振动状态的动态特征，并且对于相同的采样频率，由GPS观测结果提取
振幅和频率的误差随着振动频率的提高存在增大的趋势。这说明，如果要精确地反映大
型构筑物的动态变化特征，则应尽可能采用具有高采样频率的GPS接收机。
3　结论与建议
　　高层建筑物摆动的频率受其结构、使用材料、高度、环境温度变化和风压等外界因
素的影 响，一般在0.1Hz～10Hz之间变化。从本文的实验分析结果可以看出，目前采用
动态GPS技 术 至少可以较准确地监测高层建筑物的低频动态特征。随着GPS接收机采样
频率的提高,今后还 可以监测高层建筑物更高频率的动态特征。动态GPS技术的这一能力
同样适用于其他类似大 型构筑物的动态变形监测。本文的研究结果为动态GPS技术在这
些领域的应用提供了科学依 据。
　　高层建筑物的实际运动比较复杂，GPS测量的外部环境一般不是很理想，因此，从实
际应用 角度考虑，特提出以下几点供参考。
　　(1)为提高GPS观测结果的精度和可靠性，除在高层建筑物的关键点位上安置GPS 接
收机外，至少应设置两个GPS固定站(或基准站)。
　　(2)研究减小多路径误差的方法和措施，这项误差在高层建筑物的动态变形监测中较
为明 显。
　　(3)尽可能采用具有高采样频率的GPS接收机，以便更好地反映高层建筑物动态变形
 的细节。
　　(4)将高层建筑物的动态变形监测与其结构设计结合起来，为高层建筑物的设计提供
 科学依据。
　　(5)进一步改进和完善GPS接收机的抗干扰技术及数据处理软件。
　　在上述基础上，最终建立高层建筑物动态变形自动化监测与预警系统，该系统应具
有GPS 数据采集、数据传输、数据处理与分析、预警等功能。
　　致谢：本次实验设计的振动设备由南京航空航天大学振动工程研究所提供，NovAte
l-Outrid er-DL-RT2双频GPS接收机由香港佳能测量师行陈德祥先生提供，在此深表感谢
！
基金项目：香港理工大学基金资助项目，编号G_S721。
作者简介：罗志才，男，33岁，博士，教授， 现从事物理大地测量及GPS应用研究。代
表成果：卫星重力梯度边值问题的理论和方法。
　　　　　E_mail:zcluo@hp01.wtusm.edu.cn
作者单位：罗志才（武汉测绘科技大学地学测量工程学院，武汉市珞喻路129号，43007
9）
  　　　　陈永奇（香港理工大学土地测量与地理资讯学系，香港九龙红）
　　　　　刘焱雄（武汉测绘科技大学GPS研究中心，武汉市珞喻路129号，430079）
参考文献：
［1］　徐绍铨，李征航，柳太康，等.隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统的建 立
.武汉测绘科技大学学报，1998，23(增刊)：1～4
［2］　Ashkenazi V,Dodson A H,Moore T,et al.Mornitoring the Movements of Bri
d ges by GPS.In：Proceedings of ION GPS’97,1997.1 165～1 172
［3］　Guo J J,Ge S J.Research of Displacement and Frequency of Tall Buildin
g under Wind Load Using GPS.In:Proceedings of ION GPS’97,1997.1 385～1 388
［4］　Akaike H.Information Theory and an Extension of the Maximum Likelihoo
d Principle.In:Petrov B N,Csaki F eds.2nd International Symposium Informatio
n The ory.Budapest:Akademi Kiado,1973.267～281
［5］　Zheng D W,Luo S F.Contribution of Time Series Analysis to Da ta Proce
ssing of Astronomical Observations in China. Statistica Sinica,1992，2(2 )：
605～618
  

--
※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: club.hit.edu.cn]